NL8700312A

NL8700312A - PRESSURE SENSOR.

Info

Publication number: NL8700312A
Application number: NL8700312A
Authority: NL
Original assignee: Marelli Autronica
Priority date: 1986-02-10
Filing date: 1987-02-10
Publication date: 1987-09-01
Also published as: PT84262A; ES1001567U; ES1001567Y; FR2594224A1; PT84262B; CH669848A5; IT1187900B; IT8667097A0; GB2186376A; JPH09179U; DE3703697A1; FR2594224B1; US4782319A; JPS62191730A; JP2547374Y2; BR8700717A; GB8702242D0; BE1000830A4; GB2186376B

Description

Η.0.34.330 1.3.0.34.330 1

Druksensor /Pressure sensor /

De uitvinding heeft betrekking op een druksensor, in het bijzonder een sensor van het type dat bestaat uit een stijve ondersteuning en 5 een membraan met een randdeel dat door middel van een lijmlaag aan de ondersteuning is bevestigd en een centraal deel dat op afstand ligt van de ondersteuning en op het oppervlak dat naar de ondersteuning is gericht, tenminste een dikke-filmweerstand draagt, die als een piezo-weerstandstransducent werkt, welk membraan veerkrachtig in de richting 10 van de ondersteuning kan worden vervormd, wanneer een druk op het andere vlak daarvan wordt uitgeoefend.The invention relates to a pressure sensor, in particular a sensor of the type consisting of a rigid support and a membrane with an edge part which is attached to the support by means of an adhesive layer and a central part which is remote from the support and on the surface facing the support bears at least one thick film resistor acting as a piezo resistance transducer, which membrane can be resiliently deformed in the direction of the support when a pressure is applied to the other face thereof exerted.

De druksensoren van het beschreven type hebben het volgende pro-hleem. De afmetingen van het membraan hangen af van het bereik van de drukwaarden die met de sensor moeten worden gemeten. Het membraan zal 15 betrekkelijk dun zijn voor betrekkelijk lage drukbereiken, terwijl het membraan in het algemeen dikker moet zijn om betrekkelijk hogere drukken te meten.The pressure sensors of the type described have the following problem. The dimensions of the diaphragm depend on the range of pressure values to be measured with the sensor. The membrane will be relatively thin for relatively low pressure ranges, while the membrane will generally have to be thicker to measure relatively higher pressures.

Voor enkele specifieke toepassingen is het noodzakelijk dat de druksensor drukken binnen een voorafbepaald gebied van metingen kan de-20 tecteren en ook af en toe zeer veel hogere drukken kan weerstaan dan de voorafbepaal de maximale te meten drukken. Bijvoorbeeld kan het noodzakelijk zijn dat een sensor drukken tussen 0,5 en 2 bar kan meten, terwijl om veiligheidsredenen het noodzakelijk is dat de sensor drukken van bijvoorbeeld 10 bar kan weerstaan. Volgens de stand van de techniek 25 zal het membraan van een druksensor die aan deze eisen moet voldoen, zodanig worden gedimensioneerd, dat dit een druk tot 10 bar kan weerstaan, dat wil zeggen veerkrachtig buigen zonder breken. Als gevolg van dit dimensioneringskriterium heeft de sensor een betrekkelijk slechte gevoeligheid in de praktijk, dat wil zeggen dat er een betrekkelijk 30 middelmatige vervorming van het membraan bij voorafbepaal de drukvariaties binnen het betreffende meetbereik optreedt, dat wil zeggen bij drukken tot 5 bar.For some specific applications, it is imperative that the pressure sensor be able to detect pressures within a predetermined range of measurements and also occasionally withstand very much higher pressures than the predetermined maximum pressures to be measured. For example, it may be necessary for a sensor to measure pressures between 0.5 and 2 bar, while for safety reasons it may be necessary for the sensor to withstand pressures of, for example, 10 bar. According to the prior art, the membrane of a pressure sensor which must meet these requirements will be dimensioned in such a way that it can withstand a pressure of up to 10 bar, that is to say bending resiliently without breaking. As a result of this dimensioning criterion, the sensor has a relatively poor sensitivity in practice, that is to say that there is a relatively moderate deformation of the membrane with predetermined pressure variations within the relevant measuring range, ie at pressures up to 5 bar.

De bekende sensoren hebben dus het nadeel van een slechte gevoeligheid binnen het bereik van de te meten drukwaarden, wanneer deze zo-35 danig moeten worden gedimensioneerd, dat af en toe exceptionele drukken van een veel hogere waarde dan de maximaal te meten druk kan worden weerstaan.The known sensors therefore have the disadvantage of a poor sensitivity within the range of the pressure values to be measured, if these have to be dimensioned such that occasionally exceptional pressures of a much higher value than the maximum pressure to be measured can be withstood .

De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een druksensor van een in de aanhef genoemde soort, waarbij het beschreven nadeel wordt 40 vermeden.The object of the invention is to provide a pressure sensor of the type mentioned in the opening paragraph, wherein the described drawback is avoided.

87003 12 — ____4 287003 12 - ____4 2

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt, doordat het vlak van de ondersteuning dat met het membraan is verbonden, plat is en de lijm-laag een gekalibreerde dikte heeft, zodanig dat de afstand tussen het membraan en het vlak van de ondersteuning in de rusttoestand hoofdzake-5 lijk gelijk is aan de afbuiging van het membraan, die overeenkomt met de voorafbepaalde te meten maximale druk.This object is achieved according to the invention in that the plane of the support connected to the membrane is flat and the adhesive layer has a calibrated thickness, such that the distance between the membrane and the plane of the support in the resting state is mainly -5 is equal to the deflection of the membrane, which corresponds to the predetermined maximum pressure to be measured.

Bij de sensor volgens de uitvinding kan daarom het membraan zodanig worden gedimensioneerd, dat dit bestand is tegen drukken die in hoofdzaak gelijk zijn aan de voorafbepaal de maximale te meten druk of 10 een enigszins hogere druk, dat wil zeggen dat hèt membraan kan buigen zonder te breken. Wanneer de op het membraan van een dergelijke sensor uitgeoefende druk de voorafbepaalde maximale druk overschrijdt, komt het'membraan aan te liggen tegen het oppervlak van de ondersteuning 1 dat daarnaartoe is gekeerd en kan dus de overdruk weerstaan.In the sensor according to the invention the membrane can therefore be dimensioned such that it can withstand pressures substantially equal to the predetermined maximum pressure to be measured or a slightly higher pressure, that is to say that the membrane can bend without break. When the pressure exerted on the diaphragm of such a sensor exceeds the predetermined maximum pressure, the diaphragm abuts against the surface of the support 1 facing it and can thus withstand the overpressure.

15 De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekeningen, waarin: fig. 1 een aanzicht in perspectief van een bekende druksensor toont; fig. 2 een doorsnede volgens de lijn II-II van fig. 1 weergeeft; 20 fig. 3 een doorsnede als fig. 2 illustreert; fig. 4 een aanzicht in perspectief van een druksensor volgens de uitvinding toont; fig. 5 een doorsnede volgens de lijn V-V van fig. 4 is; en fig. 6 een doorsnede die overeenkomt met de in fig. 5 getoonde 25 doorsnede, van een druksensor volgens de uitvinding onder voorwaarden, waarbij deze wordt onderworpen aan een druk die groter is dan de voorafbepaalde maximale te meten druk.The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings, in which: Fig. 1 shows a perspective view of a known pressure sensor; fig. 2 shows a section according to the line II-II of fig. 1; Fig. 3 illustrates a section as in Fig. 2; Fig. 4 shows a perspective view of a pressure sensor according to the invention; FIG. 5 is a section on line V-V of FIG. 4; and FIG. 6 is a section corresponding to the section shown in FIG. 5 of a pressure sensor according to the invention under conditions, subjected to a pressure greater than the predetermined maximum pressure to be measured.

Een bekende druksensor is in de fig. 1 tot en met 3 geïllustreerd. Deze omvat een in hoofdzaak cirkel vormige stijve ondersteuning 30 1, in het bijzonder uit keramisch materiaal, met een ringvormig uitsteeksel la aan het bovenvlak daarvan. Dit uitsteeksel omgeeft een plat inspringend vlak lb van de ondersteuning (fig. 2). De sensor omvat voorts een membraan 2 dat in het bijzonder door een in hoofdzaak cirkelvormige schijf uit keramisch materiaal is gevormd en een dikte heeft 35 in de orde van grootte van ongeveer 500yum. Dit membraan heeft een randdeel dat door middel van een lijmlaag 3 aan het bovenvlak van het ringvormige uitsteeksel la van de ondersteuning 1 is bevestigd. Gewoonlijk zijn zowel het membraan 2 als het uitsteeksel la van de ondersteuning 1 voorzien van daarbij behorende lagen uit glasachtige lijm die 40 door middel van zeefdrukken zijn neergeslagen, waarna het membraan en 8700312 w—w 3 de ondersteuning op elkaar worden geplaatst en door een oven worden gevoerd, teneinde de lijmlagen te doen smelten. Voorafgaand aan de Tijm-bewerking worden op het vlak 2a van het membraan 2 dat naar de ondersteuning 1 is gericht, dikke-filmweerstanden R neergeslagen die dienst 5 doen als piezo-weerstandstransducenten en worden geleidende banen (ook door middel van zeefdrukken volgens de dikke-filmmethode) neergeslagen voor (te onderlinge verbinding en de verbinding daarvan met uitwendige schakelingen.A known pressure sensor is illustrated in Figures 1 to 3. It comprises a substantially circular stiff support 30 1, in particular of ceramic material, with an annular projection 1a on the top surface thereof. This projection surrounds a flat recessed surface 1b of the support (fig. 2). The sensor further comprises a membrane 2 which is in particular formed by a substantially circular disc of ceramic material and has a thickness of the order of about 500 µm. This membrane has an edge part which is attached to the top surface of the annular projection 1a of the support 1 by means of an adhesive layer 3. Usually, both the membrane 2 and the protrusion 1a of the support 1 are provided with associated layers of vitreous glue which have been deposited by screen printing, after which the membrane and 8700312 w-w 3 the support are placed on top of each other and through an oven in order to melt the adhesive layers. Prior to the Thyme operation, thick film resistors R which act as piezo resistance transducers and become conductive paths (also by screen printing according to the thick) are deposited on the plane 2a of the membrane 2 facing the support 1. film method) deposited for (the interconnection and its connection with external circuits.

Wanneer tijdens gebruik een druk op het membraan 2 in de richting 10 van de pijlen F in fig. 3 wordt uitgeoefend, wordt het membraan 2 elastisch in de richting van de ondersteuning 1 vervormd. De dikke-film-weerstanden R deformeren en als gevolg daarvan veranderen hun weerstanden. Deze weerstandsvariatie kan door middel van een bekende uitwendige schakeling worden gedetecteerd.When a pressure is applied to the membrane 2 in the direction of the arrows F in Fig. 3 during use, the membrane 2 is deformed elastically in the direction of the support 1. The thick film resistors R deform and as a result their resistances change. This resistance variation can be detected by means of a known external circuit.

15 Volgens de fig. 4 en 5 omvat de druksensor volens de uitvinding een stijve ondersteuning 10 die bijvoorbeeld uit een keramisch materiaal is vervaardigd en waaraan een membraan 20 is bevestigd, dat bijvoorbeeld wordt gevormd door een dunne schijf uit keramisch materiaal.According to Figs. 4 and 5, the pressure sensor according to the invention comprises a rigid support 10, which is for instance made of a ceramic material and to which is attached a membrane 20, which for instance is formed by a thin disc of ceramic material.

Zoals in fig. 5 is aangegeven, is het bovenvlak 10a van de ondersteu-20 ning 10 plat. Het membraan 20 is bevestigd aan en wordt ondersteund door de ondersteuning 10 door middel van het tussenplaatsen van een ringvormige lijmlaag 30. Deze lijmlaag heeft een dikte D die zodanig nauwkeurig is gekalibreerd, dat (te afstand tussen het membraan 20 en het bovenvlak 10a van de ondersteuning 10 in de rusttoestand in hoofdzaak 25 gelijk is aan de afbuiging van het membraan 20, die overeenkomt met de voorafbepaal de maximale te meten druk. Indien bijvoorbeeld de sensor bestemd is voor het meten van drukken tot 5 bar, wordt de dikte van de lijm zodanig gekalibreerd, dat de rustafstand tussen het membraan 20 en het vlak 10a van de ondersteuning 10 gelijk is aan de afbuiging van het 30 membraan wanneer dit wordt onderworpen aan een druk van 5 bar. Indien bijvoorbeeld een druk van 10 bar op het membraan 20 wordt uitgeoefend, komt het membraan in aanraking met het vlak 10a van de ondersteuning 10, zoals in fig. 6 is getoond, waarbij de krachten door de ondersteuning 10 worden opgevangen. In de praktijk is de sensor bestand tegen 35 drukken tot een waarde die de ondersteuning 10 zelf kan weerstaan.As shown in Fig. 5, the top surface 10a of the support 10 is flat. The membrane 20 is attached to and supported by the support 10 by interposing an annular adhesive layer 30. This adhesive layer has a thickness D precisely calibrated such that (the distance between the membrane 20 and the top surface 10a of the support 10 in the rest state is substantially equal to the deflection of the membrane 20, which corresponds to the predetermined maximum pressure to be measured For example, if the sensor is intended for measuring pressures up to 5 bar, the thickness of the adhesive Calibrated such that the rest distance between the membrane 20 and the plane 10a of the support 10 is equal to the deflection of the membrane when subjected to a pressure of 5 bar If, for example, a pressure of 10 bar is applied to the membrane 20 exerted, the membrane contacts the plane 10a of the support 10, as shown in Fig. 6, the forces being absorbed by the support 10 n. In practice, the sensor can withstand pressures up to a value that the support 10 itself can withstand.

De rustafstand tussen het membraan en de ondersteuning kan zeer nauwkeurig worden gekalibreerd (foor het regelen van de dikte van de lijmlaag die door middel van zeefdrukken op het membraan en de ondersteuning wordt neergeslagen. In het bijzonder is de rustafstand tussen 40 het membraan en de ondersteuning in de orde van grootte van 10^um.The resting distance between the membrane and the support can be calibrated very accurately (by controlling the thickness of the adhesive layer that is deposited by means of screen printing on the membrane and the support. In particular, the resting distance between 40 the membrane and the support on the order of 10 µm.

8700312 48700312 4

Het is voordelig, hoewel niet noodzakelijk, om zoals in de fig. 5 en 6 is getoond, een uitsparing 10b in het vlak 10a van de ondersteuning 10 te vormen, welke uitsparing tegenover de dikke-filmweerstanden R ligt, die zich in het midden van het membraan 20 bevinden. Zoals in 5 fig. 6 is getoond, wordt wanneer het blad of membraan 20 tegen de ondersteuning aan komt te liggen, beschadiging aan de dikke-filmweerstan-den vermeden, welke beschadiging het gevolg zou kunnen zijn van de botsing van de weerstanden tegen de ondersteuning.It is advantageous, although not necessary, as shown in Figs. 5 and 6, to form a recess 10b in the plane 10a of the support 10, which recess is opposite the thick film resistors R located in the center of the membrane 20. As shown in Fig. 6, when the sheet or membrane 20 contacts the support, damage to the thick film resistors is avoided, which damage could result from the impact of the resistances against the support .

Het is duidelijk dat binnen het kader van de uitvinding diverse 10 varianten mogelijk zijn.It is clear that various variants are possible within the scope of the invention.

87003128700312

Claims

Pressure sensor comprising a rigid support and a membrane with an edge part which is attached to the support by means of an adhesive layer and a central part which is remote from the support and whose surface facing the support is provided with at least a thick film resistor acting as a piezo resistance transducer, which membrane is resiliently deformed in the direction of the support when a pressure is applied to the other face thereof, characterized in that the face (10a) of the bottom Support (10) connected to the membrane (20) is flat, and the adhesive layer (30) has a calibrated thickness such that the distance (D) between the membrane (20) and the plane (10a) of the support (10) in the rest position is substantially equal to the deflection of the membrane (20), which corresponds to the predetermined maximum pressure to be measured.

Pressure sensor according to claim 1, wherein at least one thick film resistor is deposited on the central region of the membrane, characterized in that a recess (10b) is formed in the region of the plane (10a) of the support (10) , which recess faces the resistor (R). ********** 8700312